Sonofragmentation – Ultrasschall für die Partikelzerkleinerung

Sonofragmentation bezeichnet das Aufbrechen von Partikeln mittels Hochleistungs-Ultraschall, so dass Partikel-Fragmente im nano-skaligen Größenbereich entstehen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Ultraschall- Desagglomeration und Vermahlung – bei denen die Partikel durch interpartikuäre Kollision vor allem gemahlen und dispergiert werden – , zeichnet sich die Sono-Fragementation durch die direkte Interaktion zwischen Partikel und Kavitations-Schockwellen aus. Hochleistungs-/ Niederfrequenz-Ultraschall erzeugt in Flüssigkeiten Kavitation, wodurch intensive Scherkräfte im beschallten Medium entstehen. Durch die extremen Bedingungen, die während die Implosion der Kavitationsblasen und durch die interpartikuläre Kollision entstehen, werden die Partikel auf Nano-Größe gemahlen.

Ultraschall-gestützte Produktion von Nanopartikeln

Die Effekte von Hochleistungs-UIltraschall bei der Herstellung von Nanopartikeln sind bekannt: Dispergieren, Desagglomerieren und Vermahlen & Feinmahlen bzw. Fragmentierung mittels Ultraschall sind oftmals die einzig effektiven Methoden, um Nanopartikel zu behandeln. Dies gilt insbesondere, wenn es darum geht, sehr feine Nanomaterialien mit speziellen Funktionalitäten herzustellen, das die Partikel erst im Nano-Bereich einzigartige Eigenschaften zeigen. Um Nano-Material mit bestimmten Funktionen zu produzieren, muss ein gleichmäßiger und zuverlässiger Ultraschall-Prozess sichergestellt sein. Hielscher liefert Ultraschall-Gerät vom Labormaßstab bis hin zu voll-kommerziellen Industrie-Einheiten.

Sono-Fragmentierung durch Kavitation

Der Eintrag von hochintensiven Ultraschallwellen in Flüssigkeiten erzeugt extreme Bedingungen. Wird Ultraschall in ein flüssiges Medium eingekoppelt, werden durch die Schallwellen alternierende Kompressions- und Rarefaktions-Zyklen (Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen) erzeugt. Während der Niederdruck-Zyklen entstehen kleine Vakuum-Blasen in der Flüssigkeit. Diese Kavitation sblasen wachsen über mehrere Niederdruck-Zyklen solange an bis sie keine zusätzliche Energie mehr absorbieren können. Sobald die Kavitationsblasen ihre Maximalgröße erreicht haben, zerplatzen sie (Implosion). Hierbei entstehen lokal extreme Bedingungen. Durch die Implosion der Kavitation snlasen werden lokal sehr hohe Temperaturen (bis ca. 5000 K) und Drücke (bis ca. 2000atm) erreicht. Zudem entstehen während der Implosion Flüssigkeit-Jets mit Geschwindigkeiten von bis zu 280 m/s (≈1000km/h). Unter dem Terminus "Sono-Fragmentierung" versteht man den Einsatz von hochintensiven Ultraschallwellen, um Partikel auf Nanogröße zu fragmentieren. Mit einer fortschreitenden Beschallung (Sonorisierung) verwandeln sich die Partikel von einer eckigen zu einer sphärischen Kornform, wodurch die Partikel funktional aufgewertet werden. Die Ergebnisse der Sonofragmentation werden durch die Fragmentierungsrate ausgedrückt, welche als Funktion der eingetragenen Ultraschallleistung, des beschallten Volumens und der Agglomeratgröße beschrieben wird.
Kusters et al. (1994) untersuchten die ultraschallunterstützte Zerkleinerung von Agglomeraten im Hinblick auf ihren Energieverbrauch. Die Ergebnisse der Forscher "deuten darauf hin, dass die Ultraschall-Dispergierungstechnik ebenso effizient sein kann wie herkömmliche Mahltechniken. Die industrielle Praxis der Ultraschall-Dispergierung (z.B. größere Sonden, kontinuierlicher Suspensionsdurchsatz) kann diese Ergebnisse etwas verändern, aber insgesamt ist zu erwarten, dass der spezifische Energieverbrauch nicht der Grund für die Wahl dieser Zerkleinerungstechnik ist, sondern vielmehr ihre Fähigkeit, extrem feine (Submikron-)Partikel zu erzeugen." [Kusters et al. 1994] Insbesondere bei erodierenden Pulvern wie Silica oder Zirkonia, wurde festgestellt, dass der spezifische Energieverbrauch pro Einheit des zu vermahlenden Pulvers beim Ultraschall-Mahlen geringer ist als bei konventionellen Mahlmethoden. Ultraschall zerkleinert die Partikeln nicht nur, sondern poliert die Kornoberfläche zusätzlich. Dadurch kann eine hohe Sphärizität der Partikel erreicht werden.

Sono-Fragmentierung bei der Kristallisation von Nanomaterialien

"Auch wenn zweifelsfrei feststeht, dass kristallinen Slurries die Partikel durch den Ultraschall miteinander kollidieren, so ist diese interpartikuläre Kollision dennoch nicht die Hauptursache der Fragmentierung. Im Gegensatz zu molekularen Kristallen werden Metallpartikel durch die Schockwellen nicht direkt beschädigt und können nur durch die intensivere (aber viel seltenere) interpartikuläre Kollision zerschmettert werden. Die Verschiebung der dominanten Ultraschallmechanismen bei der Beschallung von Metallpulver versus Beschallung von Aspirin-Supensionen verdeutlicht die Unterschiede von weichen Metallpartikeln und brüchigen molekularen Kristallstrukturen." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation von Aspirin-Partikeln [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) untersuchten die Herstellung hochreiner Aluminiumoxid-Keramikpartikel im Submikrometerbereich (überwiegend im Bereich unter 100 nm) aus mikrometergroßem Ausgangsmaterial (z. B. 70-80 μm) unter Verwendung der Sonofragmentation. Sie beobachteten eine signifikante Veränderung von Farbe und Form der Aluminiumoxid-Keramikpartikel als Ergebnis der Sonofragmentierung. Partikel im Mikron-, Submikron- und Nanogrößenbereich können durch Hochleistungsbeschallung leicht gewonnen werden. Die Sphärizität der Partikel nahm mit zunehmender Verweilzeit im Schallfeld zu.

Dispersion in Tensiden

Aufgrund der effektiven Echtzerkleinerung durch Ultraschall müssen Tenside eingesetzt werden, um die Reagglomeration der hergestellten Submikron- und Nano-Partikel zu verhindern. Je kleiner die Korngröße, desto höher ist das Aspektverhältnis. Das höhere Aspektverhältnis der einzelnen Partikel erfordert mehr Stabilisatoren, um die Partikel vollständig zu benetzen, so dass sie vereinzelt in der Suspension vorliegen. Der Vorteil des Ultraschalls liegt in seinem Dispergier-Effekt: Hochleistung-Ultraschall vermahlt und fragmentiert, zusätzlich dispergiert der Ultraschall die gemahlenen Partikelfragmente mit den Tensiden, so dass eine Agglomeration der Nanopartikel (fast) vollständig vermieden wird.

Industrielle Produktion

Um die wachsende Nachfrage nach hochwertigen, funktionalisierten Nanomaterialien bedienen zu können, sind zuverlässige Ultraschallsysteme, die Industriestandards erfüllen, erforderlich. Ultraschallanlagen mit bis zu 16kW pro Gerät, welche problemlos zu Clustern kombiniert werden können, ermöglichen die Verarbeitung von sehr hohen Volumenströmen. Aufgrund der vollständig linearen Skalierbarkeit von Ultraschallprozessen, werden Ultraschallanwendungen risikofrei im Labor getestet, im Technikum optimiert und anschließend in die Produktionslinie integriert. Da die Umrüstung auf Ultraschallprozesse nur geringen Platzbedarf erfordert, lassen sich sogar bestehende Prozesslinien nachrüsten. Die Bedienung des Ultraschalls ist einfach, lässt sich genau kontrollieren und kann über Remote Control gesteuert werden. Zudem sind unsere Ultraschallsysteme sehr wartungsarm.

Partikelgrößenverteilung und SEM-Bilder einer Legierung auf Bi2Te3-Basis vor und nach dem Ultraschallfräsen. a – Partikelgrößenverteilung; b – SEM-Bild vor dem Ultraschallfräsen; c – SEM-Bild nach 4-stündigem Ultraschallfräsen; d – SEM-Bild nach 8-stündigem Ultraschallfräsen.
Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatur / Literaturhinweise